水工建筑混凝土抗渗抗冻性能的试验分析

郑志文

广州市欣茂物业管理有限公司 广东 广州 510000

随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断推进，水利工程建设日益受到重视。在这些工程中，混凝土作为一种重要的建筑材料，其性能直接关系到工程的质量和安全。抗渗性和抗冻性是混凝土在水工建筑中的重要性能指标，对于防止混凝土内部发生水化、冻胀等问题具有重要意义。因此，研究水工建筑混凝土的抗渗抗冻性能，对于提高水工建筑的使用寿命及其耐久性具有重要的理论和实践价值。本文以某水工建筑项目为背景，对不同配合比的混凝土抗渗抗冻性能进行了试验研究，旨在为水工建筑混凝土的优化设计提供理论依据和实践参考。

1 试验材料及方案

1.1 工程概况

本研究针对位于中国北方某湿润寒冷地区的一个水库大坝项目展开，该地区冬季气温较低，季节交替时的温差较大，这些因素可能对大坝混凝土的抗冻性和抗渗性产生影响。水库大坝的高程为202m，坝长300m。项目涉及拦水坝、泄洪道、引水渠等多个水工建筑物。

在本实验中，所选用的水泥等级为P·O42.5，混凝土的坍落度范围在25～55mm之间。实验采用了三种不同粒度的花岗岩石粉：0～40(I)、0～90(II)、0～160(III)μm，它们的比表面积和平均粒径分别是1127、812、425m2/kg以及2.141、7.992、20.134μm。实验中使用的河砂粒径范围为0～5.22mm，表观密度为2697kg/m3；碎石为8～27mm的级配砾石，表观密度为2774kg/m3。此外，实验中还使用了一种高效的减水剂，其最大减水率可以达到30%[1]。

表1展示了所使用水泥的力学和物理性质数据。本研究致力于分析不同配合比混凝土在该水库大坝项目中的抗渗抗冻性能，为实际工程提供有价值的理论依据和实践参考。

表1 水泥力学和物理性质表

1.2 试验方法

本研究选取了C30、C35和C40三种不同强度等级的混凝土进行试验。每种强度等级的混凝土按照0.5、0.45和0.4三种水胶比进行配制，共计9组试样，试样编号为C0。为了深入探讨花岗岩石粉粒度对混凝土耐久性和抗渗性能的影响，设定了三个细度范围：01～50、0～80、0～45μm。每个细度范围被视为一个组别，分别设置了10种石粉掺入量，依次为30%、27.50%、25%、22.50%、20%、17.50%、15%、12.50%、10%、7.50%。各组试样的编号为：G θ～ε，其中石粉掺入量表示为θ，石粉细度表示为ε[2]。

抗渗性能测试采用了国家标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[3]中的水压法进行，抗冻性能测试采用了JTG E30-2005《公路工程技术标准》[4]中的快速冻融法进行。通过本研究，旨在探讨花岗岩石粉在水工混凝土中的掺入量和细度对混凝土抗渗抗冻性能的影响，为水工建筑混凝土的优化设计提供有益的理论依据和实践指导。

1.3 试验步骤

（1）混凝土试样制备：按照设计的配合比，分别将水泥、细骨料、粗骨料、水和外加剂进行混合，搅拌至均匀后，将混凝土浇筑入标准试模中，进行振实。待其自然养护至规定的试验龄期后，取出试样进行后续试验。

（2）抗渗性能试验：按照GB/T 50082-2009标准，将试样置于水压渗透仪中，施加压力，测量不同龄期下混凝土试样的渗透高度，并计算其抗渗性指标。

（3）抗冻性能试验：按照JTG E30-2005标准，将试样置于快速冻融试验机中，设置冻融循环条件，对试样进行100次冻融循环。在冻融过程中，测量试样的质量和尺寸变化，并计算其抗冻性能指标[5]。

1.4 试验指标

本研究主要关注混凝土的抗渗性和抗冻性，所以选取以下两个指标进行评价：

（1）抗渗性指标：渗透高度。该指标反映了混凝土抗渗性能的高低，渗透高度越低，抗渗性能越好。

（2）抗冻性指标：相对动弹性模量、质量损失率和强度损失率。这些指标综合反映了混凝土在冻融环境下的抗冻性能。相对动弹性模量越大、质量损失率和强度损失率越小，表明抗冻性能越好。

2 试验结果和分析

2.1 抗渗性能结果分析

这项研究对水泥混凝土的抗渗性进行了详细分析。发现花岗岩添加剂的浓度和粒径对抗渗性有着重要影响。首先，将样品置于1.20MPa的恒定水压条件下，然后测量一天的渗水率，据此估算其相对渗透率（Kr）。通过比较图1（图1）中的结果，观察到当花岗岩石粉掺量在0～30%范围内时，三种细度的水工混凝土渗透系数呈现出一致的趋势，即先缓慢下降，然后迅速上升。

图1 石粉比例和混凝土Kr关系图

对于不同细度的水工混凝土，可以发现在某个特定的掺量下，其抗渗性能达到最佳值。具体而言，细度为I、II、III的水工混凝土，在石粉掺量分别为17.50%、20%和22.20%时，防渗效果最佳。由此可见，在适当的石粉掺量下，水工混凝土的抗渗性能能够得到显著提高，尤其是第三种细度的水工混凝土提高效果最为明显。然而，当石粉掺量过大时，由于石粉自身并不具备胶结能力，会降低混凝土的密实度，增加孔隙数量，从而使抗渗性能降低[6]。

为了深入了解石粉细度对抗渗性能的影响通过对比了在不同石粉含量下，各细度混凝土间的Kr值。可以发现，当石粉细度越小时，混凝土抗渗性能越好。这是因为细度较小的石粉能够更有效地填充混凝土中的孔隙，提高其密实度。此外，石粉细度对水工混凝土抗渗能力的影响还与石粉含量有关。在不同石粉含量下，各细度混凝土的抗渗性能表现出一定差异。

花岗岩石粉因其优异特性而成为理想的填补材料，不仅具有优秀的填补效果，还含有大量的钙质成分和多种活性成分。水化反应可使铁铝酸四钙（C4AF）和铝酸三钙转化为具有较高强度的单碳铝酸钙，为水泥提供一种新的结构材料。利用这种水化产物，可显著提高混凝土的密实度，并增强其抗渗性。随着石粉粒径的减小，其活性显著增强，有助于提升水泥混凝土的耐渗透性。

当石粉含量不超过15%时，II级花岗岩石粉的粒径分布范围较宽，能更有效地填补孔洞，且活性优于III级石粉。因此，在晶核效应、填充效应和水化作用的共同作用下，II级混凝土的抗渗性能得到显著提高。然而，随着石粉含量增加，20%以上的混凝土能有效利用填充作用，而I和II级混凝土具有更高的比表面积，能有效吸附水分子。但这会增加水化反应，降低混凝土密实度，从而迅速削弱抗渗性。

综上所述，在水工混凝土中添加适量的花岗岩石粉，可以有效提高其抗渗性能。然而，过量的石粉掺量可能导致抗渗效果不佳。此外，石粉细度对混凝土抗渗性能的影响与其含量密切相关。通过对不同细度和含量的花岗岩石粉进行混凝土试验，我们可以得到更具有实际意义的研究结果，为工程实践提供有价值的参考[7]。

2.2 水胶比、混凝土强度等级影响

试验中还分析了水胶比、混凝土强度等级等因素对抗渗性能的影响。试验结果表明，降低水胶比能显著提高混凝土的抗渗性能。为了定量分析水胶比对抗渗性能的影响，采用Darcy定律计算混凝土的渗透系数K：K=(Q * L)/(A

*ΔP)，其中，Q为渗透流量，L为试样厚度，A为试样截面积，ΔP为压差。根据试验数据，计算得到不同水胶比下混凝土的渗透系数K。结果显示，随着水胶比的减小，渗透系数K呈现明显的下降趋势。这是由于水胶比的降低导致混凝土中水泥凝胶体含量增加，孔隙率降低，从而提高混凝土的抗渗性能。

混凝土强度等级试验结果表明，混凝土强度等级越高，其抗渗性能越好。为了更深入地了解强度等级对抗渗性能的影响，我们可以通过以下公式计算混凝土的强度等级与渗透系数K之间的关系：K=k *(f_c)^(-α)，其中，k为常数，f_c为混凝土抗压强度，α为常数。根据试验数据，拟合得到k和α的值，从而得出不同强度等级混凝土的渗透系数K。结果显示，随着混凝土强度等级的提高，渗透系数K呈现明显的下降趋势。这主要是因为强度等级较高的混凝土中水泥凝胶体含量较多，孔隙率较低，从而提高了抗渗性能[8]。

综上所述，花岗岩石粉的适量掺入、适当的水胶比以及较高的混凝土强度等级均可以提高水工混凝土的抗渗性能。而石粉细度的降低同样有助于提高抗渗性能。在实际工程应用中，应根据实际情况综合考虑这些因素，以达到优化混凝土抗渗性能的目的。

2.3 抗冻结果分析

通过冻融试验发现，不同细度和含量的花岗岩石粉中，水工混凝土耐寒性能存在显著差异。实验测量表明，随着冻融循环次数增多，各组混凝土的质量损失率和相对动弹性模量都有所改善，且这种改善趋势相似。

当掺入成分和细度保持不变时，混凝土质量损失率会显著增加，但其相对动力学特性会减弱。经过深入研究发现，在不同粒径的混凝土中，都存在具有卓越抗冻性能的组别。具体而言，I类细度下，最佳抗冻能力的混凝土花岗岩石粉掺量为17.50%；Ⅱ类细度下，最佳掺量为20%；III类细度下，最佳掺量为22.50%。

在最大冻融次数（350次）下的实验范围内，具有最优抗冻性能的三组混凝土分别表现出4.06%、3.57%、2.85%的质量损失率和66.52%、68.34%、70.44%的动弹性模量。相较于基准对照组（质量损失率为7.05%），这三组混凝土的质量损失率分别降低了42.41%、49.36%、59.57%；与基准对照组的动弹性模量（45.24%）相比，这三组混凝土的动弹性模量分别提高了21.28%、23.10%、25.20%，显著改善了抗冻性能。

研究表明，适当的花岗岩石粉掺入可以显著提高水化反应效果，填补较大空洞，进一步减少混凝土中的水分，从而降低水冻结引发的膨胀压力。采取这些措施大大减少了混凝土的剥落和裂缝发展，显著提高了动态弹性模量和质量。

尽管在相同掺入量下，不同粒径的花岗岩石粉会导致混凝土耐寒性发生明显变化，这一点十分关键。在细度为III的条件下，花岗岩石粉的适宜掺量范围为7.50%～27.50%；细度为II时，适宜掺量范围为7.50%～25%；细度为I时，适宜掺量范围为12.50%～22.50%。只有在这些范围内，混凝土的抗冻等级才能高于F350[9]。

此外，研究结果揭示了一个有趣现象：当花岗岩石粉掺量不高于17.50%且掺量相同时，II类细度的混凝土质量和相对模量损失率均低于其他两种细度的混凝土，表现出较优越的抗冻能力。而当石粉比例高于20%且掺量相同时，III类细度的混凝土抗冻性能较为优异[10]。

综上所述，本研究通过冻融试验评估了不同细度和含量的花岗岩石粉对水工混凝土抗冻性能的影响。结果表明，适当比例的花岗岩石粉能显著提高混凝土的抗冻能力。在不同细度下，存在一组抗冻性能最优的混凝土，其中I类细度最佳掺量为17.50%，II类细度最佳掺量为20%，III类细度最佳掺量为22.50%。此外，不同细度的花岗岩石粉对混凝土抗冻能力具有显著差异，因此在实际应用中，需充分考虑花岗岩石粉的细度和掺量对混凝土抗冻性能的影响。本研究为实际工程中混凝土抗冻性能优化提供了参考依据[11]。

3 结论

综上所述，本研究通过开展渗透试验和冻融循环试验，系统分析了不同细度和含量的花岗岩石粉对水工混凝土抗冻防渗能力的影响。研究结果表明，在适当的掺量下，花岗岩石粉可以显著提高混凝土的抗冻防渗性能。具体而言，当石粉含量分别为17.5%，20%，和22.5%时，I类、Ⅱ类和III类细度的水工混凝土的抗冻性能均达到最优。实际工程应用中需注意花岗岩石粉的细度与掺量的搭配，以实现混凝土抗冻性能的最佳优化，并延长其使用寿命。本研究为工程实践中混凝土抗冻性能优化提供了有益的参考依据。